Zement, Wasser und einfacher Ruß ergeben ein Material, das elektrische Ladung speichert und dabei tragfähig bleibt. Beton mit Ruß bildet im Inneren ein weit verzweigtes leitfähiges Netz mit riesiger innerer Oberfläche und arbeitet damit als Superkondensator. Nach den jüngsten Angaben der beteiligten Forscher reichen rund fünf Kubikmeter, um den Tagesbedarf eines durchschnittlichen Haushalts zu decken. Die Bestandteile gehören zu den billigsten Materialien der Welt.
Ein Superkondensator speichert Energie anders als eine Batterie. In einer Batterie laufen chemische Reaktionen ab, bei denen Stoffe umgewandelt werden, und genau diese Reaktionen begrenzen Ladegeschwindigkeit und Lebensdauer. Ein Superkondensator dagegen lagert Ladungen rein physikalisch an Oberflächen an, getrennt durch eine hauchdünne Schicht. Er lässt sich deshalb sehr schnell laden und entladen und überdauert hunderttausende Zyklen, speichert aber pro Volumen deutlich weniger Energie. Entscheidend für seine Kapazität ist die Größe der inneren Oberfläche, an der sich Ladungen sammeln können. Je zerklüfteter das leitfähige Material, desto mehr Ladung passt hinein.
Genau hier kommt Ruß ins Spiel. Wird er dem Zement beigemischt, verteilt er sich beim Aushärten nicht gleichmäßig, sondern folgt den feinen wassergefüllten Poren, die beim Abbinden entstehen. Dabei entsteht ein zusammenhängendes Netz aus fraktal verästelten Strängen, das den gesamten Block durchzieht und eine Oberfläche bietet, die um ein Vielfaches größer ist als die äußere Form vermuten lässt. Der Beton bleibt dabei Beton: Er trägt Lasten, nimmt Druck auf und lässt sich gießen wie üblich. Forscher am Massachusetts Institute of Technology nennen das Material elektronenleitenden Kohlenstoffbeton, kurz ec3.
Für einen funktionierenden Speicher braucht es zwei solcher leitfähigen Blöcke als Elektroden, dazwischen eine dünne trennende Schicht und eine Elektrolytlösung, im einfachsten Fall Kaliumchlorid in Wasser. Beim Laden sammeln sich Ladungen an den Grenzflächen des Rußnetzes, beim Entladen fließen sie wieder ab.
Die ursprüngliche Rechnung von 2023 ergab, dass rund 45 Kubikmeter dieses Materials etwa zehn Kilowattstunden speichern könnten, was dem Tagesverbrauch eines Haushalts entspricht. Das entsprach ungefähr dem Betonvolumen eines Kellergeschosses. Wie das Massachusetts Institute of Technology zu der verbesserten Fassung mitteilt, ließ sich die Energiedichte durch einen anderen Elektrolyten und ein verändertes Herstellungsverfahren um etwa das Zehnfache steigern, sodass nun rund fünf Kubikmeter genügen, also etwa das Volumen einer Kellerwand. Ein Demonstrationsaufbau aus gestapelten Platten lieferte zwölf Volt und betrieb damit einen Lüfter und eine Spielkonsole.
Zwischen Laborblock und Hausfundament liegen mehrere ungelöste Fragen. Der Rußanteil verbessert die Speicherfähigkeit, verschlechtert aber die Druckfestigkeit, weshalb die Forscher etwa zehn Prozent als Kompromiss nennen. Tragende Bauteile unterliegen zudem Normen, die eine elektrische Zusatzfunktion bislang nicht vorsehen, und ein Fundament wird für Jahrzehnte gebaut, ein Elektrolyt verhält sich über solche Zeiträume nicht zwangsläufig stabil. Hinzu kommen Fragen der Isolierung, der Kontaktierung und der Wartung eines Speichers, an den niemand herankommt. Dass die Wiederverwertung von Baumaterialien insgesamt anspruchsvoll ist, zeigt sich auch beim Rückbau anderer Bauteile, etwa wenn jährlich zehntausende Tonnen Rotorblattabfall anfallen.
Der Reiz liegt weniger in der Leistung als in der Menge. Beton ist nach Wasser der meistverwendete Stoff der Welt, jedes Haus, jede Straße und jede Brücke besteht daraus, und die Herstellung ist überall etabliert. Eine Speicherlösung, die auf Lithium, Kobalt oder Nickel verzichtet, umgeht damit genau jene Rohstoffe, deren Verfügbarkeit den Ausbau von Batteriespeichern begrenzt. Denkbar sind Fundamente, die tagsüber Solarstrom aufnehmen, Fahrbahnen, die Elektrofahrzeuge während der Fahrt laden, oder Stützwände abgelegener Gebäude ohne Netzanschluss. Die beteiligten Forscher sprechen von multifunktionalem Beton, der neben dem Tragen weitere Aufgaben übernimmt, darunter Speichern, Heizen und Selbstheilung.
Ob daraus tragende Speicher werden, entscheidet sich an Normen, Kosten und Langzeitversuchen, nicht an der Physik. Bemerkenswert bleibt der Ausgangspunkt: Für diesen Effekt braucht es weder seltene Metalle noch aufwendige Fertigung, sondern Zement, Wasser und Ruß, also drei der ältesten und billigsten Materialien der Industriegeschichte. Der Unterschied entsteht allein durch die Struktur, die sich beim Aushärten von selbst bildet.
PNAS, High energy density carbon-cement supercapacitors for architectural energy storage; doi:10.1073/pnas.2511912122